התקן מוליכים למחצה המכונה LED מורכב ממכת LED (שבב) וחלקים אחרים המשמשים כתמיכה מכנית, חיבורים חשמליים, מוליכים תרמיים, ווסתים אופטיים וממירי אורך גל. המבנה הבסיסי של שבב LED הוא מכשיר צומת pn העשוי משכבות מוליכים למחצה מורכבות עם חומרים דומים מנוגדים. Gallium Nitride (GaN), מוליך למחצה מורכב המשמש לעתים קרובות, בעל פער פס ישיר, מה שמגביר את הסבירות לרקומבינציה קרינה בהשוואה למוליכים למחצה בעלי פער פס עקיף. כאשר צומת pn מוטה קדימה, אלקטרונים מרצועת ההולכה של שכבת המוליך למחצה מסוג n עוברים את שכבת הגבול אל צומת p, שם הם מתחברים מחדש עם חורים משכבת המוליכים למחצה מסוג p באזור הפעיל של הדיודה. האלקטרונים יורדים למצב אנרגיה נמוך יותר כתוצאה מהרקומבינציה של אלקטרונים-חור, והאנרגיה הנוספת משתחררת כפוטונים (חבילות אור). אלקטרולומינסנציה היא שמה של תופעה זו. כל אורכי הגל של אנרגיה אלקטרומגנטית עשויים להינשא על ידי הפוטון. פער פס האנרגיה של המוליך למחצה קובע את אורכי הגל המדויקים של האור הנפלט מהדיודה.
האלקטרולומינצנטיות של שבב ה-LED מייצרת אור עם טווח אורכי גל מוגבל ורוחב פס טיפוסי של כמה עשרות ננומטרים. אור מפליטות צר הוא רק צבע אחד, כגון אדום, כחול או ירוק. יש להגדיל את רוחב חלוקת הכוח הספקטרלית (SPD) של שבב LED על מנת לספק מקור אור לבן עם ספקטרום רחב. פוטו-לומינסנציה בזרחנים ממירה את האלקטרו-לומיננצנטיות משבב ה-LED באופן חלקי או מלא. רוב נוריות הלד הלבנות מערבבות את האור הנפלט מחדש באורך גל ארוך יותר מזרחנים עם פליטת אורך גל קצר משבבי InGaN כחולים. אבקת הזרחן מופצת במטריצה העשויה מסיליקון, אפוקסי או סוג אחר של שרף. לשבב ה-LED יש ציפוי עשוי מטריצה הכוללת זרחן. על ידי שאיבת זרחן אדום, ירוק וכחול עם שבב LED אולטרה סגול (UV) או סגול, עשוי להיווצר גם אור לבן. במצב זה, הלבן שנוצר יכול לתאר צבעים בצורה מדויקת יותר. עם זאת, בשל השינוי המשמעותי באורך הגל ואיבוד אנרגיית סטוקס ניכר הכרוך בהמרה מטה של אור UV או סגול, לשיטה זו יש יעילות נמוכה.
